La odisea de Katrin, una ‘báscula’ gigante para la partícula más pequeña

El 25 de noviembre de 2006 un objeto gigantesco atravesó la pequeña localidad alemana de Eggenstein-Leopoldshafen ante la mirada de miles de curiosos. El objeto es una de las mayores cámaras de vacío del mundo: 200 toneladas de acero inoxidable con forma de zepelín, de 24 metros de largo y 10 de diámetro. Este aparato científico —que llegaba ese día a su destino en el campus del Instituto Tecnológico de Karlsruhe— se construyó en la ciudad de Deggendorf, a unos 350 kilómetros de allí, pero en realidad concluía un viaje homérico de dos meses y casi 9.000 kilómetros en barco por dos ríos y cuatro mares. Se trata de un espectrómetro, el instrumento estrella para el recién inaugurado experimento Katrin (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), un proyecto internacional que tiene por objetivo medir definitivamente la masa de las partículas más ligeras y escurridizas del universo: los neutrinos.

“En cada centímetro cúbico del universo hay 336 neutrinos”, dice Kathrin Valerius, coordinadora de análisis del experimento. “Superan a las demás partículas por un factor de mil millones; solo les ganan en abundancia los fotones, las partículas de luz”. Los neutrinos no tienen carga eléctrica e interactúan tan débilmente con la materia que, hasta hace 20 años, los científicos pensaban que tampoco tenían masa. Sin embargo, descubrieron que los neutrinos se transforman de uno de los tres tipos conocidos a otro mientras viajan, algo que nunca podría ocurrir con una partícula incorpórea.

“Katrin es un experimento para medir la masa absoluta de los neutrinos, un reto importante porque tienen un papel único en cosmología y física de partículas”, explica Guido Drexlin, director del proyecto. Para lograr este objetivo, Katrin analiza el espectro energético de electrones escupidos en la desintegración beta del tritio, un isótopo radiactivo de hidrógeno. En la desintegración beta, uno de los neutrones que forman el núcleo de tritio se convierte espontáneamente en un protón y libera energía en la forma de un electrón y un neutrino. El neutrino, rebelde, se pierde para siempre, pero el electrón, si sale con suficiente velocidad, atravesará la cámara de vacío magnetizada para llegar a un detector, lo cual permite medir su energía. A partir de este dato, se puede calcular cuánta energía se llevó el neutrino. La equivalencia famosa de E=mc² da, finalmente, su masa.

El experimento arrancó en junio de este año, tras un “maratón” de diseño, construcción, transporte y acabados. “Yo estuve en la primera reunión de la colaboración, al comienzo del siglo”, recuerda Drexlin. “En estos 17 años hemos tenido que conseguir el dinero —más de 60 millones de euros— y, lo que más costó, lograr que nos construyeran los componentes necesarios”, añade. Valerius trabajó en el diseño del enorme espectrómetro principal para su tesis de doctorado. La empresa que lo construiría, DWE Reactors, tiene fábrica en Deggendorf, cerca de Múnich y a unas cuatro horas en coche de Karlsruhe, donde debía instalarse obligatoriamente Katrin por proximidad al laboratorio de tritio que ya existía. Las descomunales dimensiones del instrumento impidieron su transporte por carretera, de modo que fue necesario circunvalar el continente europeo en barco.

Por ríos y mares

El espectrómetro de Katrin zarpó de Deggendorf el 28 de septiembre de 2006. Recorrió el río Danubio hasta su desembocadura en el Mar Negro. Desde ahí atravesó el Mediterráneo y viajó rumbo norte hacia Países Bajos, donde remontó las corrientes del Rin hasta el puerto alemán de Leopoldshafen. El día número 63 completó los últimos siete kilómetros, entre cultivos y edificios rurales, por tierra. El viaje, de casi 9.000 kilómetros, tuvo sus percances. En la frontera de Alemania con Austria, el puente de una esclusa bloqueaba el paso al monstruo metálico. El equipo tuvo que comprar 1.200 toneladas de grava y 800 litros de agua para lastrar la embarcación y rebajar su altura. Más tarde, una tormenta arrancó la cubierta protectora del instrumento, exponiendo el acero al agua y el salitre, aunque Valerius confiesa que “desde entonces las fotos empezaron a salir más bonitas”.

“La llegada del espectrómetro es el recuerdo más vívido que tengo de toda mi carrera de investigación”, rememora Valerius. Ese día había en la calle 30.000 personas en un pueblo de 15.000 habitantes. Agotaron toda la comida y hubo que llamar a un camión de salchichas para alimentar a los espectadores. “La llegada del espectrómetro fue un hito enorme, pero no era el componente más difícil de construir”, señala Drexlin. Los científicos todavía tuvieron que esperar 10 años más para la llegada de unos criostatos especiales que se instalarían en la fuente de tritio.

El laboratorio de tritio almacena esta sustancia —que sale a 30.000 euros por gramo— para investigar la producción de energía por fusión nuclear. Ahora también se encarga de abastecer a la báscula de neutrinos. “Estamos en una pequeña campaña de calibración en la que utilizamos electrones de energía conocida”, explica Magnus Schlösser, un investigador de ese laboratorio. “En marzo empezaremos a utilizar el tritio en pequeñas cantidades y alcanzaremos el 100% en la primavera de 2019”.

Por ahora, se sabe que la masa del neutrino está entre 10 milielectronvoltios y 2 electronvoltios (la masa de las partículas se mide en unidades de energía): es al menos dos millones de veces más ligero que el electrón. En cinco años, los científicos de Katrin podrán anunciar la ansiada cifra, si es mayor que 0.2 electronvoltios. Esperan entender cómo el neutrino obtiene su masa; no creen que sea exclusivamente por interacción con el bosón de Higgs, como toda la demás materia. Para Valerius, apasionada de la cosmología, la promesa de Katrin es épica: “Yo quiero saber cómo afectan los neutrinos a la evolución del universo, como la formación de las galaxias”, dice. “Realmente no tenemos ni idea de qué está hecho el universo”.